Последовательный электролиз и коррозия

9 заданий

Состав меняется во времени

Электролиз — не одна реакция, а последовательность: когда ион, который восстанавливался, кончается, в дело вступает следующий кандидат.

edit_noteСульфат меди до конца

0,10 моль \(\ce{CuSO4}\), ток 5,0 А, 2,0 ч: \(n_e = 5{,}0\cdot7200/96\,485 = 0{,}373\) моль. Катод: 0,10 моль меди (0,20 моль e), затем водород: \((0{,}373 - 0{,}20)/2 = 0{,}087\) моль. Анод: всё время кислород — \(0{,}373/4 = 0{,}093\) моль. Раствор: вместо \(\ce{CuSO4}\) — 0,10 моль \(\ce{H2SO4}\), а дальше просто разлагается вода.

boltПорядок на катоде

Первыми восстанавливаются ионы с наибольшим потенциалом: \(\ce{Ag+}\) (0,80) → \(\ce{Cu^2+}\) (0,34) → \(\ce{H2O}\). На аноде первыми окисляются частицы с наименьшим потенциалом: \(\ce{I-}\) → \(\ce{Br-}\) → \(\ce{Cl-}\) → \(\ce{H2O}\).

scienceСмена процессов

\(\ce{2CuCl2 ->[эл. ток] 2Cu + 2Cl2}\), а после расхода соли — \(\ce{2H2O ->[эл. ток] 2H2 + O2}\).
Смесь \(\ce{AgNO3}\) и \(\ce{Cu(NO3)2}\): сначала \(\ce{Ag+ + e- -> Ag}\), потом \(\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}\).
\(\ce{NaCl}\): пока есть хлорид — хлор на аноде; когда кончится — кислород.

Выход по току и энергия

Не весь ток идёт на нужный процесс: часть электронов уходит на выделение водорода, восстановление примесей, обратные реакции. Выход по току

\[\eta = \frac{m_\text{практ}}{m_\text{теор}}\cdot100\ \%\]

В производстве цинка он около 90 %, алюминия — 90–95 %, в хлорщелочном электролизе — до 97 %.

Энергия электролиза: \(W = UIt = UQ\). Для алюминия (\(U \approx 4{,}5\) В, \(n = 3\)): на 1 кг металла нужно \(Q = \dfrac{1000\cdot3\cdot96\,485}{26{,}98} = 1{,}07\cdot10^{7}\) Кл и \(W \approx 4{,}8\cdot10^{7}\) Дж ≈ 13 кВт·ч. Поэтому алюминиевые заводы строят рядом с гидроэлектростанциями — в Сибири, Норвегии, Исландии.

auto_awesomeМембранный электролиз

Современное хлорщелочное производство разделяет катодное и анодное пространство мембраной из фторполимера (родственника тефлона), пропускающей только \(\ce{Na+}\). Раньше катодом служила ртуть: натрий растворялся в ней, образуя амальгаму. Ртутные заводы закрывают — они были главным промышленным источником загрязнения ртутью.

scienceЭлектрохимические производства

\(\ce{2NaCl + 2H2O ->[эл. ток] 2NaOH + H2 + Cl2}\) — около 80 млн тонн хлора в год.
\(\ce{2ZnSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Zn + O2 + 2H2SO4}\) — электроэкстракция цинка.
\(\ce{2KHSO4 ->[эл. ток] K2S2O8 + H2}\) — пероксодисульфат калия на платиновом аноде.

Коррозия и защита

Коррозия железа во влажном воздухе — электрохимический процесс. На одном участке поверхности железо окисляется (анод): \(\ce{Fe - 2e- -> Fe^2+}\); на другом кислород восстанавливается (катод): \(\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}\). Дальше \(\ce{Fe^2+}\) окисляется до ржавчины \(\ce{Fe2O3*xH2O}\). Соль (морская вода, дорожные реагенты) повышает проводимость и ускоряет процесс.

Если железо контактирует с другим металлом, анодом становится более активный из пары:

Оцинкованное железо: анод — цинк; при царапине цинк растворяется, а железо защищено («анодное покрытие»).
Лужёное (белая жесть): анод — железо; при царапине оно ржавеет быстрее, чем без покрытия («катодное покрытие»).

history_eduПротекторы Дэви

В 1824 году Гемфри Дэви по заказу Адмиралтейства предложил защищать медную обшивку кораблей железными или цинковыми пластинами. Медь перестала растворяться — но, лишившись ионов меди, днища обросли ракушками, и метод отложили на сто лет. Сегодня цинковые и магниевые протекторы стоят на корпусах судов, трубопроводах и в водонагревателях.

auto_awesomeСтатуя Свободы

Медная оболочка статуи держится на железном каркасе. Эйфель отделил металлы прокладками из асбеста и шеллака, но за сто лет изоляция разрушилась, и в местах контакта железо корродировало — гальваническая пара «медь — железо». При реставрации 1980-х годов каркас заменили нержавеющей сталью.

scienceХимия ржавчины и защиты

\(\ce{4Fe + 3O2 + 2xH2O -> 2Fe2O3*xH2O}\) — ржавление.
\(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}\) — протектор жертвует собой.
Ферроксил-индикатор (гексацианоферрат(III) калия и фенолфталеин в агар-агаре): ионы \(\ce{Fe^2+}\) дают синие пятна на анодных участках, ионы \(\ce{OH-}\) — розовые на катодных.

push_pinГлавное

При электролизе раствора процессы меняются по мере расходования ионов: сначала на катоде выделяется медь, потом водород; из смеси \(\ce{Ag+}\) и \(\ce{Cu^2+}\) сначала осаждается серебро. Считать удобно в молях электронов \(n_e = It/F\). Выход по току \(\eta = m_\text{практ}/m_\text{теор}\). Коррозия металлов в воде — работа микрогальванических элементов: анодом служит более активный металл. Защита: покрытия (анодное — цинк, катодное — олово), протекторы и катодная защита, ингибиторы, легирование.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.